南極1∶5 000地形圖測繪關鍵技術及相關問題處理——以南極維多利亞地站為例

徐 敏，初啟鳳，陽 俊，袁如金，周 亮

（黑龍江地理信息工程院，黑龍江哈爾濱150081）

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南極1∶5 000地形圖測繪關鍵技術及相關問題處理——以南極維多利亞地站為例

徐 敏，初啟鳳，陽 俊，袁如金，周 亮

（黑龍江地理信息工程院，黑龍江哈爾濱150081）

摘 要：從國家南極科學考察工作的實際需求出發，以南極擬新建站址維多利亞地1∶5 000地形圖測繪為例，闡述進行南極特殊區域地形圖測繪工作在數據獲取及地形圖測繪相關數據處理方面所遇到的問題，介紹南極特殊區域測繪與常規區域測繪生產的不同，以及在關鍵工序存在的問題及處理方法，為今后開展相關的地形圖測繪工作提供技術依據。

關鍵詞：極地測繪；測圖工序；航空攝影；像片控制測量；空中三角測量；地形圖測繪

極地測繪是我國開展極地科學考察工作的重要支撐，也是我國極地科學研究領域不可缺少的組成部分。根據國家極地科學考察計劃，我國將在維多利亞地建設新的常年科學考察站。為了保證新站址的建設及該區域今后開展的科學考察、環境資源調查及地址調查等工作的順利進行，滿足我國極地科考工作對基礎測繪資料的需求，為極地科考事業提供基礎測繪保障，根據國家南極科學考察需求，國家測繪地理信息局確定對南極維多利亞地周邊區域進行1∶5 000比例尺地形圖測繪。本文以南極維多利亞地站及周邊區域為例，介紹及分析了南極1∶5 000地形圖測繪的數據獲取及數據處理與常規區域測繪生產在關鍵工序上的異同及特殊問題的處理方法，為今后進行南極特殊區域的生產提供技術依據。

1　區域自然地理概況

南極維多利亞地位于東南極羅斯海（Ross Sea）西側恩科斯堡島（Inexpressible Island）。測區內周邊西高東低，西側有一個南北走向山梁，東側為平地和丘陵地。測區西面背靠南極大陸腹地，北側、西側和南側均為冰蓋，東面朝特拉諾瓦灣（Terra Nova Bay）。該測區屬于寒帶海洋性氣候，11月至次年2月份為夏季，夏季平均溫度－2．8℃～0℃，常年風力在6～7級；同時，受局地條件的影響，短距離內可產生較大的風速變化。測區地質情況較為復雜，大部分區域為冰磧巖，多為河流子和碎石覆蓋，基巖部分僅在部分海岸區域與部分山丘腳下出現，野外測繪工作開展比較困難。

2　技術路線

我國在第29次南極科學考察時，利用直升機掛載哈蘇H4D－60非量測型相機開展南極維多利亞地區域航空攝影，利用航空攝影獲取的影像數據，在第30次科學考察時開展像片控制測量及外業調繪工作。后期利用像片航空影像及像片控制測量成果完成空中三角測量，利用空中三角測量成果恢復立體模型開展立體測圖工作，并根據調繪數據進行數字線劃圖（DLG）的編輯。從立體測圖數據中提取高程點、等高線等地貌要素生成數字高程模型（DEM），利用空中三角測量成果、航空影像及DEM數據經過影像糾正、勻光勻色、鑲嵌等過程生產數字正射影像圖（DOM）。生產技術流程如圖1所示。

由于南極特殊的氣候條件及地形地貌條件，在生產過程中遇到的問題將按現行規范適當放寬處理。

3　關鍵工序及特殊問題處理

3．1 航空攝影

常規區域航空攝影一般采用航空遙感平臺或無人飛行器，利用GNSS獲得精確的航空飛機攝影的曝光點位置坐標，同時記錄航攝相機曝光時刻的信號，根據天氣情況確定拍攝時間。

由于極地惡劣環境及相應條件限制，缺乏常規航攝平臺的航攝條件，經黑龍江測繪局極地測繪工程中心考察、測試和論證，在極地航空攝影時采用雪龍船配備的直升機平臺，并確定了在直升機上外掛哈蘇數碼相機進行航空攝影測量的技術方案。由于H4D－60為非量測相機，未執行過極端特殊條件的航攝任務，且直升機不具備固定相機的設備，為滿足南極特殊區域航攝條件的需要，對相機進行了如下改造：

1）直升機與數碼相機的連接。經過與設計制作單位的多次研究，并在制作過程中，逐步修改完善，達到連接機構的堅固、實用、便捷等要求。掛件實物如圖2所示。

圖1　生產技術流程圖

2）數碼相機供電系統改造。直升機外掛數碼相機航攝的穩定供電問題，一直是制約提高航攝效率的瓶頸之一，尤其在南極極端天氣條件下，為避免相機的斷電問題對相機的供電系統進行了重點改造，電路設計如圖3所示。

圖2　數碼相機連接掛件

由于本次航攝時間限制，無法獲取精確的航空飛機攝影的曝光點位置坐標，主要根據地速和攝影基線，采用航攝儀的定時曝光來完成航空拍攝。這種方式如果碰到航線偏離，難免出現漏拍現象，因而造成補飛較多。該地區常年風力在6～7級，飛行方向較難控制，出現旋偏角、偏離航線等情況不可避免，因而采用補飛的方式進行彌補。

圖3　電路設計圖

3．2 像片控制測量

常規像控點布設根據相應規范、實地交通狀況、可通行條件等綜合因素進行布點。布控范圍滿足成圖要求的同時，可根據需要外擴一定范圍布點。如后續生產中出現精度較弱、粗差點時，可及時補測。絕大多數地區，全年均可進行像控點施測。

極地像控點布設時，新建站測區內不具備地面交通條件，由于該區域周邊為峭壁和水域，地面遍地石塊，布點十分困難，像控點布設盡可能做到控制范圍最大。點位不能保證控制成圖范圍，需要內業進行合理化處理。南極考察往返路程需要2個月，獲取時間僅為11月至次年2月份，出現粗差點無法及時補測，因而像片控制點點位的選擇必須謹慎。綜合考慮地域風速較大、明顯地物稀少以及航攝影像的獲取特點，主要選擇明顯地勢處的大塊石頭作為刺點目標（小石塊不易辨認且由于風的影響位置會變動），選點樣例如圖4所示。

3．3 空中三角測量

3．3．1 作業方法的比較

常規區域影像按飛行方向排列一致，能直接進行畸變差校正，傾斜角較小、無航攝漏洞，像片間重疊度滿足規范要求，可選擇手工、自動的方式進行空三連接點選取，像控點布設滿足成圖范圍。

極地區域因飛行環境變化頻繁，重疊度不一致，傾斜角較大，有漏洞，需人工選取連接點。像控點不滿足成圖范圍，高程易出現明顯異常，需要內業進行合理化處理。

圖4　像片控制點樣例

3．3．2 問題處理

1）本次航攝時由于對相機不熟悉，相機的自動旋轉功能未關閉，導致獲取的影像需要手工調整方向后，方可對攝區內影像統一進行畸變差校正。

2）高程異常處理方法。該測區為無圖區，無原始資料可用，水域被冰蓋覆蓋，因航攝季節為夏季，存在有不同程度融化的閉合水面，選取高程最低的接近于海平面的點位作為高程控制點，由于航攝存在嚴重的旋偏角，在空三環境下無法選取，因而需要使用空三中間成果恢復立體模型，在測圖環境下選取，此方法有效地改善了失控陸地區域的高程。加0值高程控制點前、后陸地高程對比如圖5、圖6所示。

圖5　加控制點前（黑體注記為點位高程值）

因極地特有的地理環境，此類問題在極地測繪中較常見，此方法可改善成果高程，但不能保證絕對精度，隨著技術的進步及發展有待在以后的生產研究中進一步地探討。

3．4 立體測圖

常規立體測圖中，極少數情況下會存在影像間漏洞的情況，可采取補飛的方式進行彌補。

圖6　加控制點后（黑體注記為點位高程值）

極地立體測圖中，影像漏洞情況較多，并且因條件限制補飛困難，對于有影像可參考的相對漏洞可根據影像補充進行矢量采集，絕對漏洞則根據周邊地形推測的方法進行彌補。在測圖過程中旋偏角問題較為普遍，測圖時需要生成水平核線影像，來改善旋偏角對立體觀測的影響。

4　結束語

從2006年的非量測相機H1D第一次投入極地測繪航攝生產到如今的H4D－60數碼相機的使用，非量測相機應用于極地測繪生產技術日趨成熟，已基本上解決我國極地考察亟需的各種類型地圖和各項基礎空間數據、地理信息系統的服務，提高我國在南極測繪方面的國際交流合作和數據資料共享的地位和能力，保障了我國南極科學考察的順利進行。本文所闡述的極地測繪生產關鍵工序問題處理，為今后的極地測繪生產提供了一定的技術依據及參考。在本項目的執行中由于時間所限，對配合相機系統進行的GPS導航系統改造未能發揮作用，而我們也在繼續對GPS導航系統進行改造，以期在下一次執行任務時能利用該導航系統實現高定位精度，飛行航線偏離提醒，以提高極地特殊區域的航空攝影能力，最大程度地降低自然條件的影響。

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［責任編輯：王文福］

Research of major problems in the 1∶5 000 mapping of Antarctic and the solutions —A case study of Vitolia area

XU Min，CHU Qifeng，YANG Jun，YUAN Rujin，ZHOU Liang

（Heilongjiang Institute of Geomatics Engineering，Harbin 150081，China）

Abstract：This paper，from the actual needs of national Antarctic research and taking the proposed new station site of Vitolia Land 1∶5 000topographic mapping for instance，focuses on the essential technology of Antarctic topographic mapping in data acquisition，data processing and other aspects of the problem to be solved．It also describes the different polar mapping and general mapping area，as well as highlights problems and processing method，and provides technical base for the future work．

Key words：polar mapping；essential technology；aerial photography；photo control survey；aerial triangulation；topographic mapping

作者簡介：徐 敏（1980－），女，高級工程師．

基金項目：2014年度測繪地理信息公益性行業科研專項項目（201412009）；南北極環境綜合考察與評估專項基金（CHINARE2015－04－07）

收稿日期：2015－09－29

中圖分類號：P217

文獻標識碼：A

文章編號：1006－7949（2016）01－0073－04